Math Biosci：肺动脉高压小鼠肺动脉树拓扑数据分析研究

研究背景：

肺动脉高压（PH）是一种影响肺血管的心血管疾病，其定义为主肺动脉中的平均肺动脉血压超过20 mmHg。PH伴随着慢性血管重塑，其中血管变得更加僵硬，大血管扩张，小血管收缩。一些类型的PH，包括低氧诱导的肺动脉高压（HPH），还会导致微血管稀少。本研究使用拓扑数据分析（TDA）的新方法分析了HPH存在下肺动脉形态学的变化。

研究方法：

我们采用持久同调来量化通过微计算机断层扫描（micro-CT）图像提取的正常动脉树和HPH小鼠的归一化动脉树的形态学特征。我们在比较正常和HPH动脉树的拓扑结构之前，使用三种修剪算法来规范生成的树。这个概念验证研究显示修剪方法影响空间树的统计特征和复杂性。

研究结果：

我们发现HPH树比正常树更加僵硬，但分支更多且深度更大。相对方向复杂性在右、腹侧和后方方向上较低。对于半径修剪树，这种差异在较低的灌注压力下更为显著，有助于分析较大血管的重塑。在较高压力下，动脉网络包括更多末梢血管。结果显示，HPH树的右、腹侧和后方相对方向复杂性增加，表明这些方向的末梢血管正在重塑。Strahler阶修剪使我们能够生成具有可比大小和结果的树，在所有压力下，结果显示HPH树的复杂性低于正常树。我们的分析基于6只动物的数据（3只正常和3只HPH小鼠），尽管我们的分析是在小数据集中进行的，但本研究为使用拓扑数据分析（TDA）的工具分析生物树的特性提供了一个框架和概念验证。从这项研究得出的发现使我们更接近从中提取相关信息来量化HPH中的重塑。

研究结论：

本研究作为拓扑数据分析（TDA）在鉴别正常对照组与低氧诱导的肺动脉高压（HPH）动脉树之间差异的概念验证。我们奠定了基础，探索了通过结合数值和拓扑数据分析来研究正常和HPH动脉树形状的可能性。

原始出处：

Miller M, Johnston N, Livengood I, Spinelli M, Sazdanovic R, Olufsen MS. A topological data analysis study on murine pulmonary arterial trees with pulmonary hypertension. Math Biosci. 2023 Aug 5:109056. doi: 10.1016/j.mbs.2023.109056. Epub ahead of print. PMID: 37549786.